淺談智能制造的核心
——信息物理系統(tǒng)

任 強，徐 旻

(中國企業(yè)管理無錫培訓(xùn)中心，江蘇 無錫 214081)

0 引言

國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》[1]提出，“基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革”。隨著制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合的不斷發(fā)展，信息物理系統(tǒng)(CPS)正成為支撐和引領(lǐng)全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)體系。

當(dāng)前，《中國制造2025》正處于全面部署、加快實施、深入推進(jìn)的新階段，面對信息化和工業(yè)化深度融合進(jìn)程中不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，對信息物理系統(tǒng)的起源、概念、構(gòu)成、應(yīng)用、發(fā)展進(jìn)行探討，以加強認(rèn)識、形成共識，更好地服務(wù)于制造強國建設(shè)。現(xiàn)結(jié)合“兩化”深度融合工作，就信息物理系統(tǒng)談幾點認(rèn)識和體會。

1 信息物理系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造的綜合技術(shù)支撐體系

面對“以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向”的國家經(jīng)濟建設(shè)戰(zhàn)略方針，完成從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略任務(wù)，構(gòu)建支撐智能制造的綜合技術(shù)支撐體系是重要工作任務(wù)。

信息物理系統(tǒng)通過集成信息、通信、自控等先進(jìn)技術(shù)，在現(xiàn)實的物理空間與虛擬的信息空間之間將人、機、物、環(huán)境、信息等要素構(gòu)建成為相互映射、交互、協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，通過信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)融合，將物理實體、生產(chǎn)環(huán)境和制造過程映射到虛擬空間并進(jìn)行建模與控制，能快速實現(xiàn)全過程、全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)范式的重構(gòu)。

信息物理系統(tǒng)作為智能制造的核心，是實現(xiàn)智能制造的綜合技術(shù)支撐體系，是通過打通兩大空間(信息空間和物理空間)，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的四個過程(狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行)中實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。圖1為信息物理系統(tǒng)綜合技術(shù)體系架構(gòu)示意。

2 信息物理系統(tǒng)的四大核心技術(shù)要素

圖1 信息物理系統(tǒng)綜合技術(shù)體系架構(gòu)

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》；2016年5月又發(fā)布了《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的意見》，提出“強化制造業(yè)自動化、數(shù)字化、智能化基礎(chǔ)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐能力[2]，加快構(gòu)筑自動控制與感知、工業(yè)云與智能服務(wù)平臺、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等制造新基礎(chǔ)”，并首次提出“新四基”(即一硬、一軟、一網(wǎng)、一平臺，分別指感知與自動控制的智能硬件、工業(yè)軟件、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)云和智能服務(wù)平臺)?！吨袊圃?025》涵蓋了從2015年起三步走的實現(xiàn)中國制造強國目標(biāo)30年發(fā)展規(guī)劃。2015年至2025年是第一階段，而“新四基”則是該階段的基礎(chǔ)。

我國的《中國制造2025》，與德國“工業(yè)4.0”以及美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”有許多共同點；但與德國在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的雄厚基礎(chǔ)和美國在引領(lǐng)世界信息技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢相比，中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展不僅要解決提升工業(yè)基礎(chǔ)、強化產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級等問題，還要突破“新四基”。

“新四基”與《中國制造2025》提出的“四基”(核心基礎(chǔ)零部件、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ))，共同構(gòu)建了實現(xiàn)我國制造強國的基石。

2.1 智能硬件

智能硬件用于狀態(tài)感知和自動控制。狀態(tài)感知是對外界狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取，生產(chǎn)過程中蘊含著大量的隱性數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)暗含在實際過程的各方面，如物理實體的尺寸、運行機理，外部環(huán)境的溫度、液體流速、壓差等。狀態(tài)感知通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將蘊含在物理實體背后的數(shù)據(jù)不斷地傳遞到信息空間，使得數(shù)據(jù)不斷“可見”，變?yōu)轱@性數(shù)據(jù)。狀態(tài)感知是對數(shù)據(jù)的初級采集加工，是數(shù)據(jù)流動閉環(huán)的起點，也是數(shù)據(jù)自動流動的源動力。與人體類比，可以把感知看作是人類接收外部信息的感覺器官，提供視、聽、嗅、觸和味這“五覺”。

自動控制是在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析和挖掘的基礎(chǔ)上做出的精準(zhǔn)執(zhí)行，精準(zhǔn)執(zhí)行是對決策的精準(zhǔn)物理實現(xiàn)。在信息空間分析并形成的決策最終將會作用于物理空間，而物理空間的實體設(shè)備只能以數(shù)據(jù)的形式接受信息空間的決策；因此，執(zhí)行的本質(zhì)是將信息空間產(chǎn)生的決策轉(zhuǎn)換成物理實體可執(zhí)行的命令，進(jìn)行物理層面的實現(xiàn)，輸出更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)、使得物理空間設(shè)備運行更加可靠、資源調(diào)度更加合理，實現(xiàn)企業(yè)高效運營、各環(huán)節(jié)智能協(xié)同效果逐步優(yōu)化。與人體類比，根據(jù)指令信息完成特定動作和行為的骨骼和肌肉，可以看作是控制的執(zhí)行機構(gòu)。

2.2 工業(yè)軟件

工業(yè)軟件是工業(yè)知識、經(jīng)驗積累、技術(shù)的載體，對工業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、服務(wù)等全生命周期環(huán)節(jié)規(guī)律的代碼化和模型化，是實現(xiàn)工業(yè)智能化和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的核心。工業(yè)軟件也是對產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實問題解決方案(即“算法”)的代碼化、工具化。仿真工具、排產(chǎn)計劃和企業(yè)資源計劃的核心就是一套算法。工業(yè)軟件的本質(zhì)是要打造“狀態(tài)感知—實時分析—科學(xué)決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”的閉環(huán)，構(gòu)筑狀態(tài)處理的規(guī)則體系，應(yīng)對制造系統(tǒng)的變化，實現(xiàn)制造資源的高效配置。與人體類比，工業(yè)軟件代表了信息物理系統(tǒng)的思維認(rèn)識，是感知控制、信息傳輸、分析決策背后的價值觀和方法論[3]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是連接工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和工業(yè)產(chǎn)品各要素的信息網(wǎng)絡(luò)，通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠內(nèi)各類裝備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，以及物料、產(chǎn)品與人的無縫集成。物聯(lián)網(wǎng)主要用于支撐工業(yè)數(shù)據(jù)的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執(zhí)行，是實現(xiàn)從單個機器、生產(chǎn)線、車間到工廠的工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)工具，是支撐數(shù)據(jù)流動的通道[4]。與人體類比，物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成了神經(jīng)系統(tǒng)，可以像神經(jīng)系統(tǒng)一樣傳遞信息。

2.4 工業(yè)云和智能服務(wù)平臺

工業(yè)云和智能服務(wù)平臺是高度集成、開放和共享的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，是跨系統(tǒng)、跨平臺、跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)共享中心。

與人體類比，工業(yè)云和智能服務(wù)平臺構(gòu)成了決策器官，其作用類似于人類的大腦，可接收、存儲、分析數(shù)據(jù)信息并形成決策。工業(yè)云和智能服務(wù)平臺，向下整合硬件資源、向上承載軟件應(yīng)用。圖2為信息世界與物理世界交互作用示意。目前一些國際知名跨國公司正加快全球戰(zhàn)略資源的整合步伐，搶占規(guī)則制定權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)、生態(tài)主導(dǎo)權(quán)和競爭制高點[5]。

圖2 信息世界與物理世界交互作用示意

3 對信息物理系統(tǒng)建設(shè)的認(rèn)識

信息物理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)、軟件、網(wǎng)絡(luò)、平臺等信息技術(shù)，與人員、機器、物料、環(huán)境、供應(yīng)鏈等制造要素的深度融合，構(gòu)建一個物理空間與信息空間數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)體系，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的自主協(xié)調(diào)、智能優(yōu)化和持續(xù)創(chuàng)新，推動制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，應(yīng)重點圍繞以下幾方面實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)建設(shè)。

3.1 資源優(yōu)化是目標(biāo)

自工業(yè)革命以來，技術(shù)變革是永恒的主題，而不變的主題是對制造效率、成本和質(zhì)量永恒地追求。企業(yè)是通過社會資源配置塑造自身能力、滿足客戶需求的一種社會組織。企業(yè)的競爭就是資源配置效率的競爭，是能力不斷躍升的競爭。如何縮短一個產(chǎn)品研發(fā)周期、提高一臺機床使用精度、提高一個班組的產(chǎn)量、提高一組設(shè)備的使用效率、提升倉儲周轉(zhuǎn)次數(shù)、減少一類部件庫存數(shù)量、縮短客戶服務(wù)的響應(yīng)時間、降低資金使用成本等，這些都是如何優(yōu)化資源使用效率。信息物理系統(tǒng)通過創(chuàng)造一個與實物制造相對應(yīng)的虛擬制造空間，實現(xiàn)了研發(fā)設(shè)計、試驗、制造、服務(wù)在虛擬空間的仿真測試和生產(chǎn)，形成人類認(rèn)識和改造世界新方法、實現(xiàn)資源優(yōu)化的新模式。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動是關(guān)鍵

數(shù)據(jù)普遍存在于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面，其中大量的數(shù)據(jù)是隱性存在的，其背后潛在的價值尚未被充分的挖掘并利用。信息物理系統(tǒng)通過構(gòu)建“狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)賦能體系，將數(shù)據(jù)不斷地從物理空間中的隱性形態(tài)，轉(zhuǎn)化為顯性形態(tài)，并轉(zhuǎn)換、迭代、進(jìn)一步形成知識庫。在該過程中，狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行都是圍繞數(shù)據(jù)進(jìn)行的。因此，數(shù)據(jù)是信息物理系統(tǒng)的核心所在，數(shù)據(jù)在自動生成、自動傳輸、自動分析、自動執(zhí)行以及不斷地迭代優(yōu)化中不斷累積、螺旋上升，產(chǎn)生更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)，能夠通過質(zhì)變引起巨變，實現(xiàn)對外部環(huán)境的資源優(yōu)化配置。數(shù)字化模型帶來數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，構(gòu)建出涉及產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、運營、服務(wù)和管理的產(chǎn)品庫、知識庫、專家?guī)欤苌鰝€性化訂制、服務(wù)型制造和云制造模式，使其普遍存在于生產(chǎn)體系各環(huán)節(jié)。

3.3 工業(yè)軟件是核心

工業(yè)軟件是對各類工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)律的代碼化，支撐了大部分的生產(chǎn)制造過程。作為面向制造業(yè)的CPS，軟件就成為實現(xiàn)CPS功能的核心載體之一，從生產(chǎn)流程的角度看，CPS會全面應(yīng)用到研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、管理服務(wù)等方方面面，通過對人、機、物、法、環(huán)全面的感知和控制，實現(xiàn)各類資源的優(yōu)化配置。這一過程需要依靠對工業(yè)技術(shù)模塊化、代碼化和數(shù)字化，并不斷軟件化而被廣泛利用；從產(chǎn)品裝備的角度看，一些產(chǎn)品和裝備本身就是CPS。軟件可以控制產(chǎn)品和裝備運行，可以把產(chǎn)品和裝備運行的狀態(tài)實時展現(xiàn)出來，通過分析、優(yōu)化，作用到產(chǎn)品、裝備的運行，甚至是設(shè)計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)迭代優(yōu)化。

就實現(xiàn)“兩化”融合而論，我國工業(yè)化水平和產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境與國際水平還有較大差距，僅信息化水平接近國際水平。生產(chǎn)制造通常包含兩種技術(shù)：生產(chǎn)技術(shù)(工藝技術(shù))和制造技術(shù)(運營、管理技術(shù)，OT技術(shù)即Operational Technology)[6]。生產(chǎn)技術(shù)指直接改變毛坯零件的形狀、尺寸和材料性能，使之成為成品，或把許多零件和部件按一定技術(shù)要求裝配成產(chǎn)品的技術(shù)，這種技術(shù)各企業(yè)間差別不大。不同企業(yè)制造同樣的產(chǎn)品時，在管理上會有很大的差別，制造技術(shù)是能夠科學(xué)地運用設(shè)備、人員、材料的一種方法，它能夠大幅度降低成本，基本包括企業(yè)的生產(chǎn)過程，從原材料到產(chǎn)品之間各相互關(guān)聯(lián)的勞動過程和自然過程的生產(chǎn)技術(shù)以外的幾乎全部組織工作。而工業(yè)軟件技術(shù)恰恰是制造技術(shù)知識的積累和傳遞，將人的隱性知識算法化、代碼化成為一種可執(zhí)行的知識體系。我國在這方面基礎(chǔ)比較薄弱，由于缺乏長期工業(yè)過程的錘煉、知識和經(jīng)驗積累有限，需加快開發(fā)出更好的工業(yè)核心軟件。

智能制造包含了智能化設(shè)計、智能化運營和智能化運維的全階段，具備全階段的高端工業(yè)軟件是實現(xiàn)智能制造的保障。工業(yè)軟件作為載體和工具，實現(xiàn)了制造過程物理空間與信息空間體系中運營規(guī)律的模型化和代碼化，優(yōu)化了物質(zhì)世界的運行。如高端設(shè)計軟件，體現(xiàn)在智能產(chǎn)品的設(shè)計中；高端生產(chǎn)管理軟件將生產(chǎn)線和產(chǎn)業(yè)鏈集成從而構(gòu)成智能工廠，為智能設(shè)備提供實際運行參數(shù)和健康狀態(tài)分析的運維服務(wù)軟件，形成智能化的生產(chǎn)線。高端工業(yè)軟件控制著設(shè)計、制造和使用階段的產(chǎn)品全生命周期過程，主導(dǎo)著制造業(yè)的發(fā)展方向。

工業(yè)軟件的發(fā)展重點在于這幾類系統(tǒng)：① 產(chǎn)品設(shè)計和全生命周期管理軟件(如CAX，PLM等)建立了高度集成的數(shù)字化模型以及研發(fā)工藝仿真體系；② 生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是企業(yè)實現(xiàn)縱向整合的核心，聯(lián)通了設(shè)備、原料、訂單、排產(chǎn)、配送等各主要生產(chǎn)資源和生產(chǎn)過程；③ 企業(yè)管理系統(tǒng)(如ERP，WMS，CRM)為企業(yè)的業(yè)務(wù)活動進(jìn)行科學(xué)管理，改變了企業(yè)管理理念和管理模式。從我國工業(yè)現(xiàn)實和發(fā)展看，我國工業(yè)軟件發(fā)展重點在于智能化全階段的設(shè)計和服務(wù)。

3.4 工業(yè)云是智能制造的信息中樞

在專業(yè)化分工日益細(xì)化的大趨勢下，生產(chǎn)效率提升和成本降低不僅取決于單個生產(chǎn)活動的效率和成本，更取決于不同生產(chǎn)活動之間相互銜接的效率和成本。工業(yè)云平臺建設(shè)為企業(yè)打造了“集成、開放、共享”服務(wù)平臺，逐步成為企業(yè)“兩化”深度融合新途徑。同時，也為制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了新模式。

工業(yè)云促進(jìn)軟件與云服務(wù)相結(jié)合的模式創(chuàng)新，加快推進(jìn)信息技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)制造等技術(shù)的融合，并不斷滿足研發(fā)、設(shè)計、物流、商務(wù)等生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)與企業(yè)個性化的需求。

工業(yè)云加快推動中小企業(yè)“兩化”深度融合，降低了中小企業(yè)信息化門檻，集聚了大量行業(yè)共性知識、信息和資源，企業(yè)借助工業(yè)云平臺可便捷獲得專業(yè)技術(shù)和市場信息，推動了中小企業(yè)知識共享和協(xié)同研發(fā)，利于打通產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新鏈條，不斷提升創(chuàng)新能力。

工業(yè)云推動龍頭企業(yè)面向行業(yè)提供專業(yè)化外包服務(wù)，加快推進(jìn)企業(yè)向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型，促進(jìn)生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)快速健康發(fā)展，順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展趨勢，提供一個大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的環(huán)境。

4 紡織智能制造中信息物理系統(tǒng)的構(gòu)想

紡織行業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展中重要的民生產(chǎn)業(yè)、支柱產(chǎn)業(yè)和創(chuàng)造國際化新優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)，其定位是向科技和時尚融合、生活消費與產(chǎn)業(yè)用并舉的方向發(fā)展。棉紡織行業(yè)作為傳統(tǒng)制造業(yè)，應(yīng)逐步突破傳統(tǒng)勞動密集為主的發(fā)展模式，提升全行業(yè)科技創(chuàng)新能力，提升產(chǎn)品品牌和核心技術(shù)優(yōu)勢，減少對勞動力成本和勞動力資源的依賴度，減少對傳統(tǒng)的低成本優(yōu)勢和人口紅利優(yōu)勢的依存度。逐步走向價值鏈中高端。

棉紡織行業(yè)智能制造的方向，應(yīng)延伸制造業(yè)企業(yè)服務(wù)鏈，改變過多依存提供產(chǎn)品的價值鏈，實現(xiàn)向提供產(chǎn)品和服務(wù)的服務(wù)型制造價值鏈方式轉(zhuǎn)變。滿足個性化市場需求的大規(guī)模定制生產(chǎn)與服務(wù)，這也將成為現(xiàn)代紡織企業(yè)主要的運營方式。紡織企業(yè)以拓展產(chǎn)品功能、提高交易效率、滿足客戶深層次需求為重點，為客戶提供個性化產(chǎn)品設(shè)計和整體解決方案，推進(jìn)先進(jìn)業(yè)態(tài)和商業(yè)模式發(fā)展[7]。

紡織行業(yè)應(yīng)全力制定紡織智能制造體系架構(gòu)、數(shù)字化工廠模型、通用技術(shù)條件、評價驗證等智能制造標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)實現(xiàn)紡紗全流程自動化生產(chǎn)、數(shù)字化監(jiān)控和智能化管理的智能化紡紗，開展以自動化和智能化生產(chǎn)、在線工藝和質(zhì)量監(jiān)控、工序間物料自動輸送、自動輸送包裝、智能倉儲管理、設(shè)備生產(chǎn)過程及故障遠(yuǎn)程控制診斷為主要特征的數(shù)字化、智能化工廠建設(shè)。實行高效扁平化的精益管理組織。以網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模式開展紡織生產(chǎn)，通過智能化生產(chǎn)和信息化集成管理，有效應(yīng)用大數(shù)據(jù)，提高勞動生產(chǎn)率、提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、增強體系運行效率。推動信息化技術(shù)在紡織市場營銷、生產(chǎn)、研發(fā)、管理、倉儲、物流等運營和管理的運用。建立適應(yīng)快速定制化生產(chǎn)方式的高效產(chǎn)、供、銷信息化體系，使網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在全流程和產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)集成應(yīng)用。

5 結(jié)語

作為智能制造的核心，可以用人體的結(jié)構(gòu)來比擬物理信息系統(tǒng)，兩者均包含物理空間、信息空間兩大系統(tǒng)。健壯的身體、靈巧的四肢、敏銳的感官，人體便相當(dāng)于一個嵌入無數(shù)傳感器的物理系統(tǒng)；人的大腦和意識，賦予了人思考、社交和活動的能力，構(gòu)成了一個完備的信息系統(tǒng)，控制和操縱肌體這一物理系統(tǒng)。

棉紡織行業(yè)推進(jìn)智能制造，是傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展之路。紡織行業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮物理信息系統(tǒng)優(yōu)勢，通過制定紡織智能制造體系架構(gòu)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等措施，極大地推進(jìn)了紡織智能制造的步伐。